浅谈物理学对现代科学技术发展的贡献.docx

第 19 卷 第 5 期2003 年 10 月雁 北 师 范 学 院 学 报JOURNAL OF YANB EI NORMAL UN IV ERSIT YVol. 19 No. 5Oct. 2003文章编号 :100921939 (2003) 0520103204浅谈物理学对现代科学技术发展的贡献吴德权1 ,帖林山2(1. 雁北师范学院 物理系 ,山西 大同037000 ;2. 应县二中 ,山西 朔州037600 )摘 要 :从核技术的开发利用 ,晶体管 、激光器的发明和发展过程 ,探讨了物理学对现代科技的引导和支 撑作用.关键词 :科学技术 ;晶体管 ;激光器 ;核技术中图分类号 :N09文献标识码 :A科学技术是第一生产力. 人类之所以能从远古 洪荒野蛮时代步入今天物质文明和精神文明高度发 达的新时代 ,就是攀援着科学技术的阶梯一步步走来的.百年成果之上. 本文拟通过对原子能的开发利用 、晶 体管和激光器的发明和发展 ,初步探讨物理学对科 技发展的支撑和引导作用.2科学技术从来就是人类争取自由的一种工具.1从 E = mc到原子能的利用和人类漫长的 300 万年的历史相比 ,科学史只有短 短的 5000 多年. 然而 ,科学的出现 ,大大加快了人类 社会的向前发展. 特别 20 世纪以来科学技术以一种 令人难以置信的速度蓬勃地发展着. 正如恩格斯在 1844 年断言的那样 ,科学的广度和深度几乎“按几 何级数增长”. 面对科学技术的累累硕果 ,人们不禁 要问 :这进步何以取得 ? 是什么作为原动力在推动 着科学技术这列从荒蛮驶向文明的列车不断地滚滚 向前 ?随便翻开一本科技史册 ,就不难发现 ,许多重大 的应用技术成果都是建立在物理学研究的成果之 上. 18 世纪 60 年代以蒸汽机广泛应用为标志的第 一次科技革命 ,是建立在牛顿力学和热力学的基础 之上 ;19 世纪 70 年代以电力技术的广泛应用和无 线电通讯技术的实现为标志的第二次科技革命 ,是 建立在电磁理论重大突破的基础之上 ; 20 世纪 40 年代以来产生的以核能源技术 、激光技术 、电子计算 机技术 、电子与信息技术 、生物工程技术 、新材料技 术 、空间技术等为标志的第三次科技革命 ,又是建立 在以相对论和量子力学为代表的 20 世纪物理学的古希腊哲学家德谟克利特 (Democritus 前 460 ?- 前 370 ?) 曾断言 ,物质是由原子组成的 ,而组成物 质的原子是不可分的 ,原子是构成物质的最小单位. 这是最早的原子论观点. 以至后人一直用这一观点 解释物质结构. 直到 19 世纪末随着阴极射线 、x 射 线 、铀的放射性 、电子和放射性镭的发现 ,人们才进 一步认识到原子并非是不可分的. 1911 年英籍新西 兰物理学家卢瑟福 ( Emest Rutherford 1871 - 1937) 通过粒子散射实验 ,推导出原子是由带负电的电 子和带正电的原子核构成 ,并据此建立了原子的有 核模型. 1919 年卢瑟福又用天然放射源放射出来的 粒子轰击氮 ,首次发现了原子核的人工嬗变 :7 N14 + 2 He4 8O17 + 1 H1第一次用人工方法成功地把一种元素变成另一种元 素 ,从而开辟了人为变革原子核的途径.1932 年英国物理学家查德威克 ( Sir J mes Chad2 wick 1891 - 1974) 在人工核反应中发现了中子 ,由此人们认识到原子核是由质子和中子组成的. 1934 年约里奥居里 ( Irene Joiot - Curie 1897 - 1956) 夫 妇用粒子轰击铝 (13Al27) 靶得到了一种天然不存收稿日期 :2003209210作者简介 :吴德权 (1966 ) ,男 ,山西应县人 ,学士 ,实验师. 104 雁 北 师 范 学 院 学 报2003 年在的新放射性元素磷 (15 P30 ) ,这是历史上第一次人 造的放射性同位素. 质子和中子在尺度很小 ( 10 - 14 m) 的原子核内 , 为此科学家们提出了“核力”的概 念 ,并于 1933 - 1939 年间通过中子 - 质子散射实验 确定了“核力”的基本性质.1905 年爱因斯坦 (Albert Einsteni 1879 - 1955)共同分析后 ,一致认为伊伦居里的实验证明铀核俘 获一个中子以后便分裂为两半. 同年 , 波尔 ( Niels Bohr 1885 - 1962) 等人在原子核液滴模型和统计理 论的基础上 ,系统地研究了原子核的裂变过程 ,奠定 了核裂变理论的基础 ,迈出了人类在理论上认识原 子能这个新能源关键性的一步. 梅特纳 (Lise Mei2创立了狭义相对论 ,并在他的题为“物质的惯性与它ther) 认为 “:奥托哈恩 、费里施 ( Ferris) 和斯特拉斯所含的能量相关吗”的论文中 ,提出了著名的质能公 式 E = mc2 (c 是光在真空中传播的速度) ,揭示出在 原子内部蕴含着巨大的能量 ,从而为原子能的开发 利用在理论上指明了方向. 实验证明 ,当核子结合成 原子核时 (或原子核分裂为核子时) 存在一个“质量 亏损”. 虽然质量亏损很小 ,但其相应的能量却十分 巨大. 由于早期人工核反应技术和手段不成熟 ,人们 没有在实验中获得核能 ,导致人们对开发和利用核 能产生了悲观和失望情绪. 就连在认识原子和原子 核结构曾做出过杰出贡献的卢瑟福 ,于 1933 年在大曼对铀裂变的证明 ,揭开了人类历史的新纪元. ”铀 核裂变的事实证实之后 ,科学家们开始考虑铀核在 裂变的过程中如果有一个以上的中子产生 ,那么它 就有可能引起其它铀核的裂变. 如此继续下去 ,就会 发生自动而持续的链式反应. 在进一步的实验中 ,法 国的约里奥居里夫妇 、流亡到美国的费米 、西拉德 (Leo Szilard 1898 - 1964) 和加拿大人津恩 (Donald Zinn) 等都证实了在核分裂时能产生 2 - 3 个中子. 同时能释放出大量能量 ,这就从理论上肯定了链式 反应的可能性.不列颠协会的一次演说中也认为 “:我们不能指望通原子的人工嬗变 、热中子核反应 、重核裂变 、链过这种途径来取得能量. 这种产生能量的方法是极 端可怜的 ,效率也是极低的. ”而且认为“通过原子的式反应的可行性等一系列重大发现 ,从理论上深深 地触及了人工开发原子核这个十分现实的问题. 正变换去探索能源 ,那简直是无稽之谈”.如邓小平所说 “:理论研究一旦获得重大突破 ,迟早然而科学探索的脚步一刻也没有停止. 中子和 人工放射性的发现极大地激发着物理学家们探索原 子核奥秘的热情. 1934 年费米 ( Enrico Femi 1901 - 1954) 和他的助手们开始用中子逐个轰击元素周期 表中的各个元素的实验. 在实验过程中偶然发现经 过慢化的中子反而比快中子能更好地引起核反应. 费米认为这是因为慢中子与快中子相比 ,经过原子 核附近时滞留的时间更长 ,因而被原子核俘获的机 会更多. 这就是说慢中子是产生核反应更为有效的 工具. 中子慢化的发现为以后成功地建造原子反应 堆创造了重要的技术条件. 费米的这一贡献和他利 用中子辐射发现新的放射性元素 ,使他荣获 1938 年 的诺贝尔物理学奖.1938 年 9 月 ,居里夫人的女儿伊伦居里与南 斯拉夫人萨维奇 (L . J . Savage 1967 - 1743) 合作 ,应 用放射化学方法分析了中子轰击铀的产物 ,发现其 中有一个半衰期为 3. 5 小时的放射性元素 ,其化学 性质与原子序数为 57 的镧相近. 后来德国的放射化 学家奥托哈恩 ( Otto Hahn 1879 - 1968) 与其助手 斯特拉斯曼 ( F st rassmann 1878 - 1968) 研究了伊伦居里的实验 ,并做了一系列试验之后 ,分析结果表 明 ,铀核经中子轰击后的产物 ,确实是两个质量中等 的元素. 最后他们与奥地利女科学家梅特纳以及在 著名的哥本哈根玻尔研究所工作的物理学家费里施会给生产和技术带来极其巨大的进步. ”1942 年 6 月美国政府启动了代号为“曼哈顿工程”的原子武器 制造计划. 1945 年 7 月 16 日世界上第一颗原子弹 在美国新墨西哥州试爆成功. 此后前苏联于 1949 年 、英国于 1952 年 、法国于 1960 年 、中国于 1964 年10 月分别研制出并成功地爆炸了原子弹. 1942 年世界上第一座裂变反应堆在美国建成. 1954 年在莫斯 科附近的奥布宁斯克原子能发电站投入运行 1991 年中国的第一座核电站 秦山核电站起用. 目前 ,欧洲一些国家的核电在整个能源中所占的比 例已超过了 50 % ,其中法国高达 78 %.核技术的开发和利用是很复杂的 ,它涉及到许 多学科和技术. 然而其中最突出的无疑是核物理学 起着决定性的作用.2从“能量子假说”到激光器的发明从 1895 年开始 , 德国物理学家普朗克 ( Max Planck 1858 - 1947) 就开始研究热辐射中的能量分 布问题. 在黑体辐射的实验过程中 ,普朗克发现能量 分布与经典理论形成尖锐矛盾. 为此 ,经过几年的研 究 ,于 1900 年 12 月 24 日在德国物理学会的年会 上 ,普朗克宣读了他的论文“关于正常光谱的能分布 定律的理论”. 其中提出了一种革命性的思想 “能量子假说”.“量子”概念的提出 ,宣布了量子物理第 5 期吴德权等 :浅谈物理学对现代科技发展的贡献105 学的诞生 ,打开了通往量子世界的大门.1916 年爱因斯坦在此基础上提出了受激辐射 的概念. 他认为在气体分子 (普朗克谐振子) 的能态 跃迁中 ,存在两种不同的辐射过程 :一种是由高能级 到低能级的过程 ; 一种是由于频率响应从高能级到 低能级的受激辐射. 受激辐射概念的提出实际上已 为激光器的发明奠定了理论基础.从技术发明的内在机制来说 ,新的科学理论要 导致技术发明 ,还要经过一系列的中间环节 ,逐步把 科学原理和发现所包含的普遍规律转换成技术和工 程所需要的特殊规律. 继 1916 年的受激辐射概念的 提出后 ,1924 年托尔曼 ( Tolman 1886 - 1959) 根据 原子 、分子系统内激发态上粒子数分布的情况 ,指出 可以得到负吸收或光放大 ,并在实验中观察到了这 种机制引起的吸收函数的变化 11928 年拉登博格和 科普夫曼在气体放大的色散测量中 ,观测到由于受 激辐射所引起的负芒现象 ;1938 年捷尼克在计算机 各种干涉条件下的色散测量中 ,提出了“相干度”的 概念. 这一切研究成果有助于认识受激辐射概念的 实际意义.1939 年法布里开坎特在讨论气体放电的发光 机理时 ,提出用实验来证实负吸收的存在 ,分析了由 负吸收产生光放大的可能性 ,以及由此所引起的光 强度和方向性增加的问题. 并且根据拉登伯格发现 的吸收系数 、爱因斯坦关于系数与粒子数分布关系 指出 ,要使辐射通过媒质不但不衰减而且还要放大 , 就必须的实现“粒子数反转”.“离子数反转”的提出 , 为从爱因斯坦的受激辐射理论向激光器的发明所需 要的技术原理迈出重要的一步. 要想通过受激辐射 来产生相干光 ,涉及纯物理学和无线电技术两方面 的知识和技术 ,因此激光器的发明必须借助这两个 领域的协同作战. 而微波技术的发展所导致的微波 波谱学的发展为此提供了条件. 1950 年卡斯特勒 ( Kastler) 提出了“抽运发放法”来获得粒子数翻转的 设想 ;1951 年珀塞尔 ( E. M. Purcell) 和庞德 ( Pound 1885 - 1972) 在核自旋体中实现了粒子数反转. 同 时 ,汤斯提出了一个有巨大潜力的技术方案 ,即在适 当空腔 ,从原子反转分布的能级上受激辐射 ,并通过 激励受激辐射的模来产生相干辐射. 1954 年汤斯 (C. H. CharlesHard Townes) 等人成功地制造了第一 台采用新放大原理的氨分子束微波量子放大器 “脉塞”( maser) .1957 年 9 月 ,汤斯在熟悉光谱学资料和技术的 基础上 ,构思了一个希望运行在光波波段的第一台 “光学脉塞”的设计方案. 经过汤斯和波谱学家肖洛的共同努力 ,克服了制造谐振腔的难关 ,为把微波量 子放大器扩展到光波波段创造了理论基础和技术条 件 ,从而把激光器这个现代科学的宠儿推向即将临 盆的产门.1960 年 7 月 ,休斯研究所实验室的一个从事红 宝石微波量子放大器研制工作的年轻人梅曼 ,成功 的制造了第一台激光器 红宝石脉冲激光器.1965 年第一台可产生大功率激光的器件 二氧化碳激光器诞生 ;1967 年第一台 X 射线激光器 研制成功 ;1997 年美国的麻省理工学院研制出了第 一台原子激光器. 如今 , 激光器这个现代科技的宠 儿. 已经从实验室深入到普通人们的生活当中 ,极大 地改善和提高着人们的生活质量. 无论在通信技术 领域 ,能源领域 、医学领域 ,还是在军事生物工程领 域都在日益发挥着巨大的作用. 激光 , 这个被誉为 20 世纪的“世纪之光”照亮了我们生活的每一个角 落.3 晶体管诞生的理论背景晶体管的发明是一件划时代的伟大事件. 可以 说 ,正是由于他的出现 ,才使我们拥有了后来的信息 时代. 那么 ,晶体管产生的理论背景是什么呢 ?1833 年 ,法拉第 ( Michael Faraday 1791 - 1867) 在实验中发现 ,硫化银的电导率随着温度的上升而 增加 ,不象金属电导率那样随着温度上升而减小. 1839 年贝克勒尔 (Becquerel Antone - Henyi 1852 - 1968) 也发现 ,作为电解电池中一个电极的半导体当 受到光的照射时会产生电动势. 到 19 世纪末 20 世 纪初 ,人们又现了硒和氧化亚铜的光电特殊整流特 性和光生伏特效应. 半导体的这些独特性能的发现 , 吸引了许多物理学家探索其导电机理的奥秘 ,从而 带来了半导体器件的诞生和广泛应用. 在第二次世 界大战中用硅和锗做成的整流二极管 ,在微波雷达 发展中起到了重大作用. 这样半导体由于其独特性 能唤起了人们的一种渴望 ,希望他能成为新型的电 子器件.20 世纪 30 年代 ,人们将量子力学的成果移植 于固体物理学而发展起来的“能带论”,形成了理解 包括半导体在内固体性能的重要理论基础. 根据“能 带论”,在外电场的作用下 ,半导体导电靠“空穴”参 与的导电过程称为 P 型导电 ;靠电子参与的导电过 程称为 N 型导电. 半导体的许多性能由“空穴”和电 子共同决定. 1931 年在“能带论”的基础上 ,威尔逊 建立了一个把半导体的许多性质彼此关联起来的半 导体模型. 他认为半导体有两种导电类型 , 一种是106 雁 北 师 范 学 院 学 报2003 年“杂质导电”,即由于半导体中的杂质电离能较禁带 宽度小 ,所以在低温下就可把电子从施主能级上激 发到导带 ,或把满带上电子激发到受主能级上 ,从而 电导率升高 ;另一种是“本征导电”,即把满带中的电 子直接激发到导带上 ,而使电导率升高. 由此可知 , 杂质导电机理决定了半导体所有变化多端的性能. 威尔逊模型很好地说明了半导体的行为特征. 1939 年 ,德国的肖特基 、英国的莫特和前苏联的达维多 夫 ,在弗兰克尔金属 - 半导体接触的表面理论的基 础上 ,应用金属与半导体接触的“势垒”概念 ,建立了 解释金属 - 半导体接触整流作用的“扩散理论”. 这集成电路为核心的微电子技术已经渗透到现代通信、 信息技术 、计算机 、医疗 、能源 、自动化等各个方面 ,尤 其对现代电子和信息技术的发展起着巨大的作用.总之 ,无论是原子核能的开发和利用 、激光器和 晶体管的发展 ,还是空间技术 、生物工程等其它新技 术的发展过程 ,物理学的研究成果在其中起着重大的 作用. 可以说没有物理学的创新成果 ,就没有现代高 新技术的迅速发展. 因为现代化技术绝不是单纯地建 立在经验和技巧上的结晶 ,而是科学理论的自觉运 用. 离开了科学理论这个最基本的基点 ,技术则成了 无本之木和无源之水. 当然要把理论的进展最终转化样 “,能带论”、威尔逊导电机理模型以及“扩散理论”为技术上的突破 ,还要经过一些重要的中间环节. 首这三种相互关联的半导体理论模型 ,便构成了确立 晶体管这一技术发明的理论背景.1947 年 12 月 23 日 , 经过反复研究和精心设 计 ,美国电报电话公司贝尔实验室的三位科学家巴 丁 (Johk Bardeen , 1908 - 1911 ) 、布 莱 顿 ( Walter Brattain , 1902 - 1987) 和肖克利 ( Willjarm Shock2 ley ,1910 - 1989) 用半导体材料终于制成了放大 100 倍的放大器 ,从而宣告了第一只点接触型晶体管的 诞生.晶体管的出现 ,迅速占领了世界电子领域. 随 后 ,晶体管电路不断向微型化方向发展. 1957 年 ,美 国科学家达默提出“将电子设备制作在一个没有引 线的固体半导体板块中”的大胆思想 ;1958 年 ,美国 德克萨斯州仪器公司把这一设想变成了现实 制 成了第一批集成电路 ;1971 年英特尔公司制成了世 界上第一批微处理器. 随着硅片上元件集成度的增 加 ,集成电路的发展经历了小规模集成电路 、中规模 集成电路 、大规模集成电路和超大规模集成电路阶 段. 如今 ,因晶体管的发明而带来的集成电路 ,其发展 速度之快 、对社会影响之大是人们所始料不及的. 以先要把新的科学原理变为新的技术规范 ,成为创造新 的技术方案 ,为把它物化为一个实际的技术系统提供 具体的工艺和设计. 同时 ,技术的发明和创造离不开 社会的需要 、工业条件和技术本身设备的准备及经济 条件的支持等因素. 然而无论如何 ,物